2024年3月10日发(作者：political)

中国设备工程

China Plant

Engineering

长兴基地岸电变频电源改造措施

顾民华

（上海振华重工（集团）股份有限公司长兴分公司，上海 201913）

摘要：长兴基地对岸电调试电源的要求比较特殊，单台电源设备功率750kVA能同时满足三台产品同时进行调试，

码头空间有限，电源的体积要小转运灵活，电源设备工作要安全稳定可靠、无污染。对此，文章提出使用（IGBT）

SVPWM脉宽调制方式，能有效解决柴油发电机组运行不稳定、废气和噪音污染、使用费用高、维修和保养频繁的缺点。

关键词：IGBT；变频电源；节能量

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2021）03（下）-0165-03

1 企业用能概述

上海振华重工（集团）股份有限公司（ZPMC）是重型装

备制造行业的知名企业，公司总部设在上海，于上海本地和

南通、江阴等地设有8个生产基地。公司主产品分为三类：

港口用大型集装箱机械和矿石煤炭等散货装卸机械、大型钢

构钢桥梁、海工产品。2009年工业总产值为280亿人民币，

主要能源品种有电力、成品油（汽油、柴油）、天然气，其

中，电力是主要能源，占总能耗的77%，其次是柴油，约占

20%。2009年，公司所属长兴基地的总能耗为107957吨标煤。

2 项目概述

公司主产品岸边桥式集装箱起重机（简称桥吊）是集装

的一切都不复存在，所以，必须以“保护环境”为原则。因此，

在机械制造业的生产环节中，也应该注重绿色环保，要避免对

我们生存的环境造成较为严重的污染。

4 数字化的技术将会成为重要发展趋势

众所周知，数字化的技术将会成为重要发展趋势，未来

社会将会是高端科学技术的时代。所以，在机械制造业中也

应该融合数字化的技术，在机械生存过程中数据将会通过数

字的形式进行传输，从而极大地提高大型机械的生产、制造

的效率。在机械制造业中，也应该融合数字化的技术，还可

以更加清晰明了地指导消费者的需求，从而在生产过程中，

制造更多有消费市场的产品。在机械行业融入数字化的技术，

最主要的目的其实是实现技术与技术之间的强强联手，从而

极大地提高了机械制造行业的科技含量，也进一步准确定位

消费人群，获得更大的发展潜力。

对于微型化产品来说，产品愈加轻便愈能受到消费者的

青睐。微型化产品的重量更加轻便，消耗的能源更低，也就

拥有更加可观的消费市场。微型化产品在近年来，更加受到

人们的喜爱，拥有更加广阔的发展前景。最近几年，纳米技

术具有迅猛的发展势头，在医疗和军事领域占据重要的地位，

如果将这种微型化产品应用到机械制造业中，将会拥有更加

重要的用途和发展前景。在我国很多重要的领域，都使用较

为大型的机械，如航天航空领域，对大型机械具有一定的需

求，但是，大型机械十分沉重，制造所耗费的时间、人力、

物力、财力都是不可估量的，如果将大型机械微型化，对我

国的航天航空、医疗卫生以及军事行业都有极大的推动作用。

而且，微型化产品更加轻便、利于携带，对我国的经济发展

也具有巨大的带动作用。

5 逐步完善行业规范行为

在一个行业里，要具有成为体系的行为守则，这样才能

箱码头前沿装卸集装箱船舶的专用起重机，现该产品已经遍

布世界各地，占世界市场份额的75%。桥吊在发运至用户港

口码头前，需接通电力进行全面调试，由于公司的桥吊大都

是欧洲和美洲产品，使用频率为60HZ，长兴基地无法直接

提供60HZ电源供产品调试，采用的办法是将一次回路直接

用50HZ高压（根据不同的产品分为3.3kV、4.16kV、6kV、

10kV、13.2kV、15kV、20kV），二次回路（控制回路）采用

柴油发电机提供460V/60HZ/400kVA进行产品的调试用电。

柴油发电机经过多年的使用，出现了故障率急剧上升、

输出功率下降、维修保养频繁、工作稳定性下降、柴油费用

升高、污染增加的情况，严重影响产品调试的进度，调试人

够让员工都去遵循这样的行为和规范，从而在这个行业中形

成井然有序的秩序，尤其在机械制造业中更加应该形成这样

的规范，将工人的伤害度减少到最低程度，保障工人的人身

安全。

另外，没在机械制造业中形成井然有序的秩序，还可以

减少不必要的失误，全面地对所生产的产品进行考察，当产

品出现故障时，也可以在第一时间进行处理。所以，在机械

制造业中，逐步完善行业规范行为，对其今后的发展具有极

大的好处。

6 结语

总而言之，面对现代机械制造业的发展前景和趋势，针

对性地提出了具有建设性的意见，从而使我国的机械制造业

具有更好的发展前景。利用较为先进的计算机技术以及生产

和管理经验，对我国的机械制造业进行加工和改造，从而具

有更大的发展空间和发展潜力。使用更加先进的生产和管理

经验，从而使生产出来的产品更加符合市场的需求，提高人

们的生产效率，解放劳动力，使人们获得更大的经济效益，

提高人们的生活质量。具体来说，在机械化制造业中，增加

现代的科学技术的含量，能够极大地提高机械化产品的优势

和质量，极大地节省了人力、物力和财力，是机械制造业现

代化进程的重要一步。最终，将冷冰冰、没有感情的机器升

级为人工智能，从而为人们提供性能更好、更加便利舒适的

生活，从根本上提升人们的生活质量。

参考文献：

[1]周新刚.自动化技术在机械设计中的应用探讨[J].科技

风,2020(25):110-111.

[2]王强坤.传统机械设计制造与机械自动化的比较[J].工程建设

与设计,2020(17):131-133.

中国设备工程 2021.03 （下）

165

Research and Exploration

研究与探索

·

工艺流程与应用

员的投诉逐年增加。同时，因为桥吊在调试作业时的负载性

质是“突加突卸”式，并且长时间空载，在少量用电时柴油

机需保持正常转速以保证发电机输出频率，而且在桥吊做吊

箱调试吊具下放过程中有逆功率产生，柴油机自身无法消耗，

只能通过并联电阻予以消耗，所以，柴油机的能耗非常高。

公司对岸电调试电源的要求比较特殊：单台电源设备功

率750kVA能同时满足三台产品同时进行调试；码头空间有限，

电源的体积要小转运灵活；电源设备工作要安全稳定可靠；

无污染。国内还没有能满足该使用情况的岸电电源设备。

为满足公司产品调试的要求，彻底解决柴油发电机组的

诸多问题，车间技术人员自行设计适合公司产品调试的岸电

电源设备。经过多次讨论和比较，确定使用（IGBT）SVPWM

脉宽调制方式能有效上述缺点。根据公司产品调试的要求和

长兴基地码头的实际情况确定岸电电源的技术指标，岸基电

源应为IGBT整流，为四象限结构结构，且具有全容量能量

回馈功能。

（1）整套岸电系统输出符合中国供电部门对电压失真和

电流失真最严格的要求，高于《电能质量 公用电网谐波》（GB/

T 14549-1993）对谐波失真的要求；输出电压波形总谐波失

真度：输入电流畸变THDi＜5%，输出电压谐波THDu＜5%。

（2）岸电电源功率模块IGBT应采用英飞凌或富士。

（3）过载能力：以750kVA输出容量的额定输出电流计

算，120%的额定输出电流时可正常运行1min；150%额定输

出电流时可运行3s；200%及以上输出电流时速断保护。

（4）工作稳定性：输出电压在稳态时，0～100%负载

变化时，输出电压稳压率：静态≤2%，动态≤10%；输出频

率60Hz，0～100%负载变化时，输出频率变化率≤0.1%。

（5）岸电电源效率≥97%（100%负载）。

（6）岸电电源在实施与船舶电源连接，在并网及解列

过程中船舶不断电，实现无缝切换，可选择由船侧或电源侧

实现负载转移及同步并网。

（7）岸电电源能在各种性质的负载下包括电容性、电

感性、混合型负载，输出稳定的电压和频率。

（8）岸电电源具备智能逆功率控制技术，用四象限方

案或软件控制完全抑制逆功率产生方案。

（9）岸电电源具备三相电压不平衡自适应能力，容许

三相不平衡运行，岸电电源的不平衡度需要满足船用岸电相

关标准。

（10）岸电电源具备黑匣子功能，当岸电电源出现故障

时，能够记录变频电源故障前后数据，实现故障可追溯。

（11）岸电电源输出电压闭环：必须在隔离变输出侧进

行电压闭环控制，确保输出电压的稳定。

（12）岸电电源可以在运行时进行电压输出微调。

其技术参数和规格如表1、表2所示。

3 技术原理

经过AC→DC→AC变换的逆变电源称为变频电源，有

别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流

稳压电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换

成所需频率的稳定、纯净的正弦波电源。理想的交流电源的

特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正

弦波（无失真）。

变频电源采用SVPWM正弦脉宽调制技术控制，输入电压

380V±15%，输入频率50Hz，输出线电压为400V、460V、

575V，输出频率60Hz。可适用于多种电压等级的产品调试用

电。输出波形品质好，同时，具有短路、过流、欠压、过热

等多种保护。

变频电源柜由多个整流/逆变IGBT功率单元、控制器

装置等组成，在控制器的控制下完成电源与负载之间的功率

传递功能，完成50Hz到60Hz频率的变换功能，整流/逆变

IGBT功率单元采用IGBT脉冲整流电路，功率单元由高频滤

波器、输入电抗器、IGBT脉冲整流电路、直流支撑电容电路

及其检测控制电路组成。

变频电源装置可直接将50Hz交流电转换成60Hz交流电，

而且输出电压可调，适用各种负载。在空载时段，变频器除

自身损耗消耗一部分电能外，其余不耗费能源，同时，桥吊

调试过程中反送的逆功率可倒送给电网，而不是通过电阻消

耗，所以，相比柴油机节能效果明显。如此大功率的变频电

源装置是专为桥吊调试而设计，满足了桥吊调试的负载特点，

稳定性高。

4 项目节能量

从2009年开始，陆续改进低压变频电源装置，代替柴

油机，不使用柴油而改用电力。2009年5～9月共改进低压

移动式变频电源装置6台，功率为750kVA，每台低压变频电

源可替代低压柴油发电机2台；变频电源相比柴油机存在节

能、无污染、低噪音、免维护、运行成本低等诸多优点。

4.1 改造前能耗情况

以400kW低压柴油发电机组为例。经统计，平均

每台每天开机10h，每小时消耗柴油17.4L，每天耗油

174L，每年使用300d，柴油比重：1L=0.848kg，折合

标煤=174×0.848×1.4571×300/1000=64.5t；12台

低压柴油机年耗能=64.5×12=774t标煤；折合标煤

=2.99×360×1.4571=1568.4t。

4.2 改造后能耗情况

以750kW低压变频电源为例。根据功率，一台变频

电源可取代两台柴油机。根据桥吊调试周期中三种不同负

载状态，现场安装电度表后经三次计算得到如下结论：

六台低压变频电源年用电量（按每天运行10h，年运行

300d计算）=58×10×300×6=104.4万kW·h；折合标煤

=104.4×4.04=421.77t。

节能量：年节约标煤=774-421.7=352.3t；寿命

期（10年）内节能量=10×352.3=3523t标煤；节能率

=352.3/774=46%。

表1 技术参数和规格

输出容量

750kVA

电路型式输入电压输入频率

50Hz（IGBT）SVPWM脉宽调制方式380V±15%（线电压，三相三线）

输出线电压

400V、460V、575V；

每档可微调±5%

输出频率频率稳定率

60Hz0.1%

表2 技术参数和规格

负载稳定率额定电流

±2.5%760A

输入仪表输出仪表保护功能工作环境外形尺寸

电压表、电流电压表、电流表、频过载、短路、欠压、过压、过流、温度-10～+50℃，（长×宽×高）：

表、频率表率表、综合电量表过热、输入缺相保护及告警装置相对湿度0～95%6058×2438×2591（mm）

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中国设备工程 2021.03 (下)

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车载双屏显控器翻转机构设计

苗仲海，马云飞，顾顺祥

（苏州长风航空电子有限公司，江苏 苏州 215151）

摘要：针对特种车辆驾驶舱仪表台空间有限，同时，又有双屏显示的需求，设计了一种车载双屏显控器翻转与固定机

构，采用扭矩铰链+分度销等核心部件，实现辅屏显控器可在0～180°区间翻转，任意角度悬停和在固定角度锁死的功能。

该结构操作简单，功能可靠，能满足公路、土路运输环境下快速启停、剧烈颠簸等复杂路况的需求。

关键词：车载双屏；扭矩铰链；分度销；翻转机构

中图分类号：TH112.5 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2021）03（下）-0167-02

某型特种车辆需要在副驾驶仪表台上设置两台显控器，

使用时，乘员操作主屏，辅屏为扩展显示器，与主屏一样，

需要有合理的观察视角。考虑到驾驶舱的空间有限，所以将

主、辅屏设计成上下分布。使用时，辅屏可向上展开，在0

～180°区间内翻转和悬停，达到最佳观察角度时锁定位置，

可以承受垂直、纵向、轴向三个方向的振动而不发生位移。

使用结束后辅屏可向下闭合，不影响乘员观察车外环境。辅

屏的展开、闭合操作应尽可能简便，避免烦琐的操作。因此，

本文设计使用高强度扭矩铰链实现辅屏翻转和悬停，使用复

位型分度销来实现固定角度自动锁死功能。使用三维设计软

件CATIA进行翻转运动仿真，设定锁死角度为172°，试验

件按GJB150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法》第

16部分进行振动试验。经测试，本文所设计的翻转固定机构

操作简便，功能可靠，达到了预期的设计目标。

1 器件选型设计

基于对功能需求的分析，设计使用高强度扭矩铰链和分

度销两种核心部件。扭矩铰链用于实现辅屏翻转并随意悬停

的功能，分度销配合固定座使用，用于实现辅屏位置自动锁定。

1.1 扭矩铰链选型

1.1.1 扭矩铰链介绍

扭矩铰链是铰链的一种，由固定部件、安装部件、弹簧

部件等组成。原理是在铰链的转动副上施加一定的预紧力，

转动副所连接的两个主体发生相对位移时，产生和预紧力成

正比的摩擦力。

扭矩铰链的分类，按材质，主要有不锈钢、塑料扭矩铰

链；按铰链安装方式，可以分为因定式，脱卸式；按功能分为：

一段力、二段力、阻尼缓冲；按扭矩大小是否可调，分为可

调和不可调扭矩铰链。

1.1.2 扭矩铰链选型原则

扭矩铰链选型要兼顾功能需求、安装方式、使用环境等。

该项目所使用的双屏显示器，辅屏重量约为7kg，翻转角度从

竖直方向0°～180°，扭矩铰链要承担辅屏重力。要求所使

用的扭矩铰链具有较大的扭矩值，在翻转过程中，产生的摩

擦力能承受辅屏的重力，且安装臂要有一定的强度。产品使

用环境为车内，温、湿度波动范围较大，因此，核心部件扭

力弹性部件应避免使用铁质等易腐蚀材料。因此，选用主体

5 结语

此节能技术可直接复制到其他需特种频率供电的用电设

备上，公司其他的一些产品如大型工程船，原使用柴油发电

机组供电，现可替换改用变频器，以大大减少化石能源的使

材质为不锈钢，弹性材质为磷青铜等耐蚀性、耐磨性较好的

产品。

1.1.3 扭矩计算

扭矩铰链的扭矩值在辅屏翻转过程中影响较大，扭矩过

小，辅屏在翻转时过于灵活，且无法随意悬停；扭矩过大，

翻转时比较费力，使用体验较差。所以，所选用的扭矩铰链

扭矩值应略大于辅屏的扭矩值。

辅屏扭矩的计算方法按以下公式（示意见图1）：

×屏重（kg）×9.8

注：该公式中选取的辅屏重心为辅屏几何中心，实际重

心与几何中心可能不重合。

图1 辅屏扭矩计算示意

本设计中，辅屏的宽度为300mm，重量约为7kg。经计算，

辅屏的扭矩值为10.29N·M，考虑到扭矩铰链实际扭矩值与

额定扭矩的偏差为±20%，故预选用两对4.5N·M的扭矩铰链。

配合使用后额定扭矩值为18N·M。经过验证，所选用铰链实

际使用效果良好。翻转时，力度均匀适中，可以实现随意悬停。

1.2 分度销选型

1.2.1 分度销介绍

分度销，或称旋钮柱塞。简单可理解为应用于类似分度

盘结构定位的销子。分度销的结构由销体、销头、把手，以

及内置弹簧组合而成。分度销家族庞大，种类繁多。类型按

照材料分主要有碳钢（黑色氧化）、不锈钢；按照使用特点

分为复位型、自锁型；按拉手型类型分，有拉环型、把手型；

用。该技术值得运用推广。

参考文献：

[1]GB/T 14549-1993.电能质量 公用电网谐波[S].

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